Wprowadzenie
Gdy metal jest poddawany działaniu siły, zwykle odkształca się natychmiast, a następnie pozostaje w tym samym kształcie nawet po długim okresie czasu. Jeśli NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie nie było zbyt duże, metal powróci elastycznie do swojego pierwotnego stanu po usunięciu obciążenia. Kiedy polimery są obciążane siłą, również odkształcają się natychmiast; jednak po dłuższym czasie często okazuje się, że ciało odkształciło się jeszcze bardziej. Takie zachowanie nazywane jest pełzaniem. Zasadniczo metale również pełzają, ale w przypadku polimerów zachowanie to jest znacznie bardziej wyraźne i musi być brane pod uwagę przy opisywaniu zachowania mechanicznego. Z tego powodu quasi-statyczny wykres naprężenie-odkształcenie jest często wystarczający dla metali; jednak w przypadku polimerów należy również wziąć pod uwagę odkształcenie zależne od czasu.
W tym przypadku ważne jest, aby zasadniczo odróżnić PełzaniePełzanie opisuje zależne od czasu i temperatury odkształcenie plastyczne pod wpływem stałej siły. Gdy stała siła jest przykładana do mieszanki gumowej, początkowe odkształcenie uzyskane w wyniku przyłożenia siły nie jest stałe. Odkształcenie będzie rosło wraz z upływem czasu.pełzanie od relaksacji: W przypadku pełzania, stałe NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie działa na ciało, które w konsekwencji odkształca się. W przypadku relaksacji odkształcenie ciała pozostaje stałe, ale z czasem wymagana siła jest zmniejszana. Relaksacja jest bardzo interesująca w niektórych zastosowaniach, takich jak uszczelnienia; ale w przypadku wielu komponentów interesujące jest raczej stałe NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie i zachowanie odkształcenia w czasie.
W testach materiałowych rzeczywisty pomiar pełzania jest często łączony z fazą regeneracji (regeneracja pełzania), w której materiał może ponownie uzyskać swój pierwotny kształt. W ten sposób można dokonać rozróżnienia między pełzaniem sprężystym i nieodwracalnym. Nieodwracalne odkształcenie zależy w large stopniu od temperatury i poziomu obciążenia. Zależności te zostaną zbadane bardziej szczegółowo w niniejszej publikacji.
Pomiary odzysku pełzania na PE-HD
Zachowanie polimerów podczas pełzania badane jest na przykładzie półkrystalicznego polietylenu o wysokiej gęstości (PE-HD). Próbki o wymiarach 55 x 5 x 2 mm są badane za pomocą dynamiczno-mechanicznego urządzenia do dużych obciążeń NETZSCH DMA GABO Eplexor® 500 N w trybie rozciągania (rysunek 1).
Za pomocą urządzenia Eplexor® można przykładać siły statyczne do 1500 N w zakresie temperatur od -160°C do +500°C.
W zależności od zakresu zastosowania, dostępne są różne uchwyty próbek do rozciągania: W przypadku standardowego uchwytu do próbek rozciągających można zastosować do 700 N, w zależności od próbki. Dla większych sił dostępna jest mocniejsza wersja do 1500 N.
Ponieważ w szczególności należy zbadać zależność pełzania od siły, poszczególne pomiary są porównywane przy rosnących obciążeniach. W ten sposób różne poziomy obciążenia mogą być badane w jednej serii pomiarowej bez potrzeby ponownego mocowania.
W tej procedurze próbka może jednak zostać zdeformowana przed faktycznym etapem obciążenia. Aby zapobiec zbyt dużym odchyleniom od geometrii odniesienia, po osiągnięciu odkształcenia 10% nie przeprowadza się dalszego zwiększania obciążenia. Pomiary przeprowadzane są każdorazowo w określonej temperaturze próbki. W temperaturze 50°C przeprowadza się pięć etapów obciążenia od 2 do 6 MPa, z 2 godzinami oczekiwania w celu zagwarantowania, że w każdym przypadku można ustalić stabilne warunki.
W podwyższonej temperaturze 100°C NapięcieOdkształcenie opisuje deformację materiału, który jest obciążony mechanicznie przez siłę zewnętrzną lub naprężenie. Mieszanki gumowe wykazują właściwości pełzania, jeśli zastosowane zostanie obciążenie statyczne.obciążenie jest zwiększane tylko do 4 MPa po osiągnięciu maksymalnego odkształcenia.
Jak pokazano na rysunku 2, PełzaniePełzanie opisuje zależne od czasu i temperatury odkształcenie plastyczne pod wpływem stałej siły. Gdy stała siła jest przykładana do mieszanki gumowej, początkowe odkształcenie uzyskane w wyniku przyłożenia siły nie jest stałe. Odkształcenie będzie rosło wraz z upływem czasu.pełzanie składa się zazwyczaj z trzech faz dla każdego etapu obciążenia. Najpierw próbka jest stosunkowo gwałtownie rozciągana, po czym następuje PełzaniePełzanie opisuje zależne od czasu i temperatury odkształcenie plastyczne pod wpływem stałej siły. Gdy stała siła jest przykładana do mieszanki gumowej, początkowe odkształcenie uzyskane w wyniku przyłożenia siły nie jest stałe. Odkształcenie będzie rosło wraz z upływem czasu.pełzanie lepkosprężyste. Te dwa procesy są zazwyczaj odwracalne. Następnie próbka przekształca się w lepki przepływ (stała prędkość odkształcenia) i można wyraźnie zauważyć, że przepływ ten jest bardziej wyraźny przy wyższych naprężeniach i temperaturach. Ponieważ ten lepki przepływ nie jest odwracalny, odkształcenie remanentne pozostaje nawet po kolejnej fazie rozładunku. To lepko-plastyczne zachowanie występuje ze zwiększoną intensywnością przy wyższych temperaturach i naprężeniach.
W normie DIN ISO 899 [4] opisano test pełzania przy rozciąganiu w celu określenia zachowania podczas pełzania. Chociaż nie odnosi się ona konkretnie do zastosowanych tutaj eksperymentów pełzania z odzyskiem, przedstawiono typowe oceny, które można również wykorzystać do odpowiednich faz pełzania. Rysunki 3 a) i b) przedstawiają izochroniczne wykresy naprężenie-odkształcenie związane z powyższymi pomiarami. Odkształcenie jest odnotowywane dla każdego naprężenia po ustalonym czasie i wprowadzane do wykresu. Ponieważ w tej serii testów do próbki przykładane są różne obciążenia, odkształcenie odnosi się w każdym przypadku do stanu bezpośrednio przed etapem obciążenia. Prezentacja ta jest szczególnie interesująca dla projektowania komponentów, ponieważ wynikowe odkształcenie można odczytać całkowicie analogicznie do klasycznego wykresu naprężenie-odkształcenie dla danego obciążenia. Zazwyczaj odkształcenia są również interesujące po znacznie dłuższych okresach czasu niż te zarejestrowane tutaj. Jak widać powyżej, w dłuższych okresach czasu dominuje głównie zachowanie lepkościowe, które zostanie później omówione bardziej szczegółowo.
Jako kolejna typowa prezentacja, norma DIN ISO 899 opisuje zależny od czasu moduł pełzania (rysunki 3 c i d). Odwrotna wartość modułu, tj. podatność na PełzaniePełzanie opisuje zależne od czasu i temperatury odkształcenie plastyczne pod wpływem stałej siły. Gdy stała siła jest przykładana do mieszanki gumowej, początkowe odkształcenie uzyskane w wyniku przyłożenia siły nie jest stałe. Odkształcenie będzie rosło wraz z upływem czasu.pełzanie, jest często używana zamiast tego, ale tutaj moduł pełzania jest pokazany zgodnie z normą. Prezentacja modułu pełzania jest szczególnie przydatna do badania nieliniowości materiału. Staje się jasne, że wyższe naprężenia generalnie prowadzą do niższego modułu pełzania, a tym samym do wyższej podatności.
Opis szybkości pełzania według Eyringa
PełzaniePełzanie opisuje zależne od czasu i temperatury odkształcenie plastyczne pod wpływem stałej siły. Gdy stała siła jest przykładana do mieszanki gumowej, początkowe odkształcenie uzyskane w wyniku przyłożenia siły nie jest stałe. Odkształcenie będzie rosło wraz z upływem czasu.Pełzanie polimeru jest często opisywane za pomocą czteroparametrowego modelu reologicznego (rysunek 4). Model ten składa się ze sprężyny i elementu tłumiącego (element Maxwella) połączonych szeregowo. Sprężyna może być wykorzystana do zilustrowania chwilowego skoku odkształcenia, a tłumik do modelowania przepływu lepkiego. Zachowanie lepkosprężyste jest opisane przez równoległy element sprężynowo-tłumiący. W ten sposób dla każdego wcześniej przeprowadzonego eksperymentu pełzania-odtwarzania można zidentyfikować odpowiedni model.
Jak pokazano powyżej, składnik lepko-plastyczny istotny dla długotrwałego pełzania jest głównie spowodowany przepływem lepkim. Zależność przepływu lepkiego od temperatury i naprężenia można wyprowadzić, w oparciu o model, z prawdopodobieństwa, że cząsteczka pokona pewną przeszkodę. Szczegóły można znaleźć na przykład w [2]. Stwierdzono tam, że zgodnie z tym modelem zależność między naprężeniem a temperaturą zależy liniowo od logarytmu szybkości odkształcania. W związku z tym wzrost naprężenia prowadzi do wykładniczego wzrostu szybkości odkształcania.
Na rysunku 5 przedstawiono szybkości odkształcenia określone dla odpowiednich naprężeń. Oprócz pomiarów przedstawionych powyżej, eksperyment przeprowadzono dodatkowo w temperaturze 110°C. W temperaturze 50°C zachowanie między szybkością odkształcania a naprężeniem jest bardzo dobrze opisane przez model, tj. istnieje w dużej mierze liniowa zależność między naprężeniem a logarytmiczną szybkością odkształcania. W wyższych temperaturach i naprężeniach możliwe są dalsze procesy molekularne, co prowadzi do wygięcia logarytmicznej szybkości odkształcania.
Na wykresie Eyringa [1] dla każdej temperatury rejestrowana jest oddzielna linia. Pod tym względem wykres pozwala na przedstawienie ekstrapolacji szybkości odkształcenia dla innych naprężeń. Należy jednak zauważyć, że istnieją również bardziej zaawansowane podejścia do uwzględniania dodatkowej superpozycji czasowo-temperaturowej; patrz na przykład [3].
Wnioski
Zachowanie podczas pełzania jest silnie zależne od temperatury i poziomu obciążenia. Podczas gdy elastyczne komponenty pełzania mogą być mierzone nawet przy mniejszych siłach, wyższe siły i naprężenia występują w wielu zastosowaniach. DMA GABO Eplexor® pozwala na scharakteryzowanie zależnego od obciążenia pełzania plastycznego w wielu przypadkach istotnych w praktyce. W ten sposób wykazano, że długoterminowe zachowanie pełzania jest głównie określane przez lepki przepływ polimeru. Dokładnie tę zależność szybkości odkształcenia od działającego naprężenia można wyraźnie zilustrować na wykresie Eyringa.